JPH11149894A

JPH11149894A - 電子銃及び電子線装置

Info

Publication number: JPH11149894A
Application number: JP9316845A
Authority: JP
Inventors: Shinichi Kitamura; 村真一北
Original assignee: Jeol Ltd
Current assignee: Jeol Ltd
Priority date: 1997-11-18
Filing date: 1997-11-18
Publication date: 1999-06-02
Anticipated expiration: 2017-11-18
Also published as: JP3524737B2

Abstract

(57)【要約】【課題】数ｎｍより小さい光源の電子銃を提供するこ
と。【解決手段】尖頭電極７と引出電極８間の距離が１ｎ
ｍ程度になるように、Ｚ駆動手段１１はＺ軸方向移動素
子６Ｚを制御する。尖頭電極７が引出電極８に近付けら
れると、これらの間に２Ｖ程度の引出電圧が印加され
る。この電圧の印加により、前記尖頭電極７中の電子は
前記引出電極８にトンネルし、引出電極８から尖頭電極
７に向かって真空トンネル電流が流れる。尖頭陰極７か
ら放出された電子のうち、引出電極８を透過した電子は
加速電極９により加速される。そして、電子線は前記ス
キャンコイル１４により偏向され、試料表面は電子線で
２次元的に走査される。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は走査電子顕微鏡等
に用いられる電子銃、及び走査電子顕微鏡等の電子線装
置に関する。

【０００２】

【従来の技術】走査電子顕微鏡（ＳＥＭ）は、細く収
束された電子線で試料表面を２次元的に走査し、その走
査により試料から発生した２次電子を検出して試料の２
次電子像を得る装置である。

【０００３】このＳＥＭの分解能は、光源の大きさに密
接に関係しており、光源の大きさが小さい程、分解能は
向上する。従来の高分解能ＳＥＭにおいては、光源の大
きさが小さい電界放射型電子銃（ＦＥＧ）が用いられて
おり、図１はそのＦＥＧを示したものである。図１に示
すように、ＦＥＧにおいては、チップ１と引出電極２間
にバイアス電圧Ｖ₁が印加されてチップ先端から電子が
放出され、その電子は加速電極３により加速される。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】図２は、前記チップ
１の先端から放出される電子を示したものであるが、こ
の図に示すように、電子はチップ先端の比較的広い領域
から放射される。このため、光源の大きさとしては数ｎ
ｍが限界である。

【０００５】本発明はこのような点に鑑みて成されたも
ので、その目的は、数ｎｍより小さい光源の電子銃を提
供することにある。

【０００６】

【課題を解決するための手段】この目的を達成する本
発明の電子銃は、尖頭電極と、該尖頭電極に対向して配
置された引出電極と、該引出電極から前記尖頭電極に向
けて真空トンネル電流が流れるように、前記引出電極と
尖頭電極間に電圧を印加する電圧印加手段と、前記引出
電極を透過した電子を加速する加速手段を備えたことを
特徴とする。

【０００７】

【発明の実施の形態】以下、図面を用いて本発明の実
施の形態について説明する。

【０００８】図３は、本発明の電子線装置の１つである
査電子顕微鏡の構成を示した図である。図３において、
５は電子銃であり、以下にこの電子銃の構成について詳
しく説明する。

【０００９】電子銃５は、移動手段であるスキャナ６
と、そのスキャナの先端に取り付けられた尖頭電極７
と、尖頭電極７に対向して配置された引出電極８と、引
出電極８の後段に配置された加速電極９を備えている。

【００１０】前記スキャナ６は、Ｘ軸方向及びＹ軸方向
に移動可能なＸＹ軸方向移動素子６ＸＹと、Ｚ軸方向に
移動可能なＺ軸方向移動素子６Ｚを備えており、前記Ｘ
Ｙ軸方向移動素子６ＸＹはＸＹ駆動手段１０に接続され
ている。また、スキャナ６のＺ軸方向移動素子６ＺはＺ
駆動手段１１に接続されており、Ｚ駆動手段１１の他端
は前記尖頭電極７に接続されている。この尖頭電極７と
して、走査トンネル顕微鏡の探針が用いられ、尖頭電極
７は、単結晶のＷで形成されている。

【００１１】尖頭電極７に対向して配置されている前記
引出電極８は、板状であり、引出電極８の中心付近は、
イオンミーリングや電解研磨等により孔が空かない程度
に薄くされている。この引出電極８と前記尖頭電極７間
には、引出電源１２により引出電圧が印加されるように
構成されており、また、接地電極である前記加速電極９
は、加速電源１３に接続されている。

【００１２】以上、本発明の電子銃の構成について説明
したが、次に、電子銃以外の部分の構成について説明す
る。なお、この電子銃以外の部分の構成は、従来の走査
電子顕微鏡における構成とほぼ同じである。

【００１３】図３において、１４は、電子線をＸ，Ｙ方
向に偏向させるスキャンコイルであり、このスキャンコ
イル１４は偏向電源１５に接続されている。また、１６
は、電子線を試料１７上に収束させる対物レンズであ
る。前記試料１７の上方には、電子線の照射により試料
から発生した２次電子を検出する２次電子検出器１８が
配置されており、２次電子検出器１８は表示装置１９に
接続されている。

【００１４】なお、前記電子銃５や電子線通路等は、排
気装置により排気される。

【００１５】以上、図３の走査電子顕微鏡の構成につい
て説明したが、次に、この装置の動作について説明す
る。

【００１６】まず、前記尖頭電極７と引出電極８間の距
離が１ｎｍ程度になるように、前記Ｚ駆動手段１１はＺ
軸方向移動素子６Ｚを制御する。このようにして尖頭電
極７が引出電極８に近付けられると、これらの間に２Ｖ
程度の引出電圧が印加される。この電圧の印加により、
前記尖頭電極７中の電子は前記引出電極８にトンネル
し、引出電極８から尖頭電極７に向かって真空トンネル
電流が流れる。この真空トンネル電流は前記Ｚ駆動手段
１１で検出されており、Ｚ駆動手段１１は、真空トンネ
ル電流が常に所定値になるように前記Ｚ軸方向移動素子
６Ｚを制御する。

【００１７】図４は、前記尖頭電極７の先端から放出さ
れる電子を示したものである。図４に示すように、真空
トンネル現象を利用した本発明の電子銃においては、多
くの電子が尖頭電極７の先端の１原子から放出され、１
ｎｍ以下の原子レベルの光源を得ることができる。ま
た、尖頭陰極７と引出電極８間に流れる前記真空トンネ
ル電流の電流密度は、前記ＦＥＧのチップと引出電極間
に流れる電流の電流密度より大きい。

【００１８】さて、前記尖頭陰極７から放出された電子
のうち、前記引出電極８を透過した電子は前記加速電極
９により加速される。そして、電子線は前記スキャンコ
イル１４により偏向され、試料表面は電子線で２次元的
に走査される。この電子線の照射により試料１７から発
生した２次電子は、２次電子検出器１８で検出され、２
次電子検出器１８の出力信号は、前記偏向電源１５から
スキャンコイル１４に供給される走査信号に同期して前
記表示装置１９に送られる。この結果、表示装置１９の
画面上には試料１７の２次電子像が表示される。

【００１９】以上、図３の走査電子顕微鏡の動作につい
て説明したが、この装置の分解能は、光源の大きさが上
述したように１ｎｍ以下と非常に小さいため、従来の走
査電子顕微鏡の分解能に比べてかなり小さい。

【００２０】なお、前記引出電圧を更に大きくすると、
輝度を大きくすることができる。

【００２１】ところで、前記引出電極８の厚さが厚い
と、前記尖頭電極７から放出された電子は引出電極８を
透過することができないが、以下に、引出電極８を薄く
する機構を備えた電子銃について説明する。

【００２２】図５は、引出電極８を薄くする機構を備え
た電子銃を示した図である。図５において、前記図３の
構成と同じ構成には、同じ番号が付されている。

【００２３】図５において、２０は、内部にＡｒガスを
蓄えたＡｒガス供給器であり、Ａｒガス供給器２０は、
電子銃室にＡｒガスを供給できるように電子銃に取り付
けられている。２１は、Ａｒガス供給器のバルブであ
る。また、２２はＳＴＭ像表示手段であり、ＳＴＭ像表
示手段２２は前記Ｚ駆動手段１１に接続されている。２
３は、前記引出電極８に接続された加熱電源である。な
お、電子銃は、図示しない排気装置により排気されるよ
うに構成されている。

【００２４】このような構成において、前記引出電極８
の厚さが厚くて、前記尖頭電極７から放出された電子が
引出電極８を透過しない場合、オペレータは、前記バル
ブ２１を開いて電子銃室にＡｒガスを入れる。そして、
オペレータは、前記引出電源１２の極性を図５に示すよ
うにして、前記尖頭電極７と引出電極８間に数１００Ｖ
の電圧を印加する。この電圧の印加により、引出電極８
から電子が放出されてその電子は尖頭電極７に向かい、
その電子と衝突したＡｒ分子は電子を失って陽イオンと
なる。また、この電圧の印加により、正極である前記尖
頭電極７の近くに存在するＡｒ分子は電子を失って陽イ
オンとなる。このように陽イオンとなったＡｒイオン
は、負極である前記引出電極８に衝突し、引出電極８の
表面はエッチングされる。この際、前記ＸＹ軸方向移動
素子６ＸＹが２次元的に移動されて、前記尖頭電極７は
２次元的に移動されるので、前記引出電極８の表面は広
い範囲にわたってエッチングされる。

【００２５】このようなエッチングがある時間行われる
と、オペレータは、前記バルブ２１を閉じると共に、前
記引出電圧を０Ｖにする操作を行い、エッチングは終了
する。エッチングが終了すると、オペレータは、前記加
熱電源２３の電源を入れる。加熱電源２３の電源が入る
と、前記引出電極８は高温に加熱され、この加熱によ
り、前記エッチングによって引出電極表面に出来た凹凸
はなくなって表面は平坦になる。

【００２６】このアニーリングによる引出電極の平坦化
処理が終わると、オペレータは、引出電極８の表面が本
当に平坦になったかどうかを確認するために、引出電極
８表面のＳＴＭ像を表示するための操作を行う。その操
作において、オペレータは、前記引出電源１２の極性を
前記図３のように戻し、前記尖頭電極７と引出電極８間
に２Ｖ程度の電圧が印加されるように、前記引出電源１
２を調整する。

【００２７】このようなオペレータの操作が終わると、
前記尖頭電極７は、引出電極８上を２次元的に移動さ
れ、また、前記Ｚ駆動手段１１は、尖頭電極７と引出電
極８間に流れる真空トンネル電流が一定に保たれるよう
に前記Ｚ軸方向移動素子６Ｚを制御する。このＺ軸方向
移動素子６Ｚの出力信号は、引出電極表面の凹凸を表し
ており、前記ＳＴＭ像表示手段２２は、その信号から引
出電極表面のＳＴＭ像を画面上に表示させる。この画面
上に良好なＳＴＭ像が表示されれば、引出電極８の表面
はＳＴＭ観察できる程度に平坦であることが分かり、一
方、画面上に良好なＳＴＭ像が表示されなければ、引出
電極８の表面には、ＳＴＭ観察できない程の凹凸がある
ということが分かる。引出電極８の表面が、ＳＴＭ観察
できる程度に平坦であれば、安定した真空トンネル電流
が前記尖頭電極と引出電極間に流れる。

【図面の簡単な説明】

【図１】ＦＥＧを説明するために示した図である。

【図２】ＦＥＧのチップを説明するために示した図で
ある。

【図３】本発明の走査電子顕微鏡を説明するために示
した図である。

【図４】本発明の電子銃の尖頭電極を説明するために
示した図である。

【図５】本発明の電子銃を説明するために示した図で
ある。

【符号の説明】

１…チップ、２…引出電極、３…加速電極、５…電子
銃、６…スキャナ、６ＸＹ…ＸＹ軸方向移動素子、６Ｚ
…Ｚ軸方向移動素子、７…尖頭電極、８…引出電極、９
…加速電極、１０…ＸＹ駆動手段、１１…Ｚ駆動手段、
１２…引出電源、１３…加速電源、１４…スキャンコイ
ル、１５…偏向電源、１６…対物レンズ、１７…試料、
１８…２次電子検出器、１９…表示装置、２０…Ａｒガ
ス供給器、２１…バルブ、２２…ＳＴＭ像表示手段、２
３…加熱電源

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】尖頭電極と、該尖頭電極に対向して配置
された引出電極と、該引出電極から前記尖頭電極に向け
て真空トンネル電流が流れるように、前記引出電極と尖
頭電極間に電圧を印加する電圧印加手段と、前記引出電
極を透過した電子を加速する加速手段を備えたことを特
徴とする電子銃。
【請求項２】前記尖頭電極は、Ｚ軸方向に移動可能な
移動手段に取り付けられることを特徴とする請求項１記
載の電子銃。
【請求項３】前記移動手段は、前記真空トンネル電流
が常に一定になるように制御されることを特徴とする請
求項２記載の電子銃。
【請求項４】電子銃で発生した電子を試料に照射し、
その電子線の照射により試料から発生した信号を検出す
る電子線装置において、前記電子銃は、尖頭電極と、該
尖頭電極に対向して配置された引出電極と、該引出電極
から前記尖頭電極に向けて真空トンネル電流が流れるよ
うに、前記引出電極と尖頭電極間に電圧を印加する電圧
印加手段と、前記引出電極を透過した電子を加速する加
速手段を備えたことを特徴とする電子線装置。
【請求項５】前記電子線装置は、走査電子顕微鏡であ
ることを特徴とする請求項４記載の電子線装置。
【請求項６】尖頭電極と、該尖頭電極に対向して配置
された引出電極と、該引出電極から前記尖頭電極に向け
て真空トンネル電流が流れるように、前記引出電極と尖
頭電極間に電圧を印加する電圧印加手段と、前記引出電
極を透過した電子を加速する加速手段と、前記尖頭電極
をエッチングする手段を備えたことを特徴とする電子
銃。